铜陵学院 基于单片机的智能寻迹避障小车设计.docx

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铜陵学院基于单片机的智能寻迹避障小车设计

学号：

2010-2011学年第2学期

《单片机应用技术》

课程设计报告

题目：

专业：

班级：

姓名：

指导教师：

成绩：

电气工程系

2011年5月23日

课程设计任务书

学生班级：

学生姓名：

学号：

设计名称：

起止日期：

指导教师：

设计要求：

整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。

本系统能实现如下功能：

（1）自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。

若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。

（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。

小车通过障碍区后，能够自动循迹

（3）自动检测停车线并自动停车。

目录

摘要………………………………………………………………………………………4

ABSTRACT…………………………………………………………………………………4

第一章绪论……………………………………………………………………………5

1.1智能小车的意义和作用……………………………………………………………5

1.2智能小车的现状……………………………………………………………………5

第二章方案设计与论证………………………………………………………………6

2.1主控系统…………………………………………………………………………6

2.2电机驱动模块………………………………………………………………………6

2.3循迹模块…………………………………………………………………………8

2.4避障模块…………………………………………………………………………8

2.5机械系统…………………………………………………………………………8

2.6电源模块…………………………………………………………………………8

第三章硬件设计………………………………………………………………………9

3.1总体设计…………………………………………………………………………9

3.2驱动电路…………………………………………………………………………10

3.3信号检测模块………………………………………………………………………11

3.4主控电路…………………………………………………………………………12

第四章软件设计……………………………………………………………………13

4.1主程序模块…………………………………………………………………………13

4.2电机驱动程序………………………………………………………………………13

4.3循迹模块……………………………………………………………………………14

4.4避障模块……………………………………………………………………………16

自我评价…………………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………………………19

基于单片机的智能寻迹避障小车设计

摘　要：

利用红外对管检测黑线与障碍物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。

其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制。

关键词：

智能小车；STC89C52单片机；L298N；红外对管

Intelligenttrackingandobstacle-avoidcar

Abstract：

Basedinfrareddetectionofblacklinesandtheroadobstacles,anduseaSTC89C52MCUasthecontrollingcoreforthespeedanddirection,Aelectronicdrived,whichcanautomatictrackandavoidtheobstacle,wasdesignedandfabricated.Inwhich,thecarisdrivedbytheL298Ncircuit,itsspeediscontrolledbytheoutputPWMsignalfromtheSTC89C52.

Keywords:

SmartCar;STC89C52MCU;L298N;InfraredEmittingDiode

第一章绪论

1.1智能小车的意义和作用

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。

随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。

视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。

视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。

但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。

避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。

使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车可以作为机器人的典型代表。

它可以分为三大组成部分：

传感器检测部分、执行部分、CPU。

机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。

可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。

基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。

智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。

单片机驱动直流电机一般有两种方案：

第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。

考虑到实际情况，本文选择第二种方案。

CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。

1.2智能小车的现状

现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。

其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。

比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。

我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。

第二章方案设计与论证

根据要求，确定如下方案：

在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

2.1主控系统

根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。

据此，拟定了以下方案，具体如下：

方案：

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。

充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此，这种方案是一种较为理想的方案。

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。

根据这些分析,我选定了P89C51RA单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。

在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。

2.2电机驱动模块

方案：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图2.1）。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N（如图2.2）。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

图2.1H桥式电路

图2.2L298N

2.3循迹模块

方案：

采用两只红外对管（如图2.3），分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。

（参考文献[3]）

。

图2.3红外对管

2.4避障模块

方案：

采用一只红外对管置于小车右侧。

通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。

（参考文献[3]）

2.5机械系统

本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。

驱动部分：

由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。

为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。

电池的安装：

将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。

简单，而三轮运动系统具备以上特点。

2.6电源模块

方案：

采用8支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。

第三章硬件设计

3.1总体设计

智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。

将循迹光电对管分别装在车体下的左右。

当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。

避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。

3.1.1主板设计框图如图3.1，所需原件清单如表3.1。

图3.1主板设计框图

表3.1元件清单

元件

数量

元件

数量

元件

数量

直流电机

2只

电阻

若干

集成电路芯片

若干

单片机

1块

二极管

若干

电容

若干

红外对管

3只

蜂鸣器

1只

电位器

若干

12M晶振